Обрезание корням не помеха

Растениям для регенерации не нужны клеточные ниши

Даже если отрезать у корня чехлик со стволовыми клетками, он всё равно способен к регенерации. Оставшиеся специализированные клетки возвращаются в «стволовое» состояние, отращивают утраченную часть и даже восстанавливают характерную «нишу», необходимую для постоянного роста.

Растениям для регенерации не нужны «клеточные ниши», формирующие специфическое микроокружение для стволовых клеток. По всей видимости, это и позволяет им быстро восстанавливать утраченные органы: корни и побеги. Кеннет Бирнбаум из Университета Нью-Йорка и его коллеги обнаружили это при проверке теории клеточных ниш на традиционной модели ботаников — Arabidopsis thaliana.

Стволовая клетка

клетка, способная претерпевать асимметричное деление, в результате которого образуется одна клетка, идентичная материнской (самовоспроизведение) и вторая клетка, вступившая на путь превращения в клетку одного из более чем 220 известных цитофенотипов.

In vivo (в живом организме) клетка может стать и оставаться стволовой только в соответствующем микроокружении (клетки-соседи, межклеточное вещество). В культуре – при соответствующем составе культуральной среды и свойствах поверхности культурального сосуда; иногда необходимо присутствие других клеток – так называемых фидерных клеток.

Критерий «стволовости»:
1. Способность к неограниченному самовоспроизведению без изменения фенотипа и кариотипа.
2. Способность делиться симметрично или асимметрично.
3. Клоногенность, т.е. способность каждой ЭСК давать потомство, тождественное материнской клетке.
4. Способность к дифференцировке – потентность: тотипотентность, плюрипотентность, мультипотентность, олигопотентность, монопотентность.
5. Способность встраиваться в ткани донора после ауто- или аллотрансплантации.

У человека и млекопитающих выделяют: эмбриональные стволовые клетки, региональные стволовые клетки: пренатальные и постнатальные (взрослые) и зародышевые (герминальные) клетки.

Стволовым клеткам для поддержания своего статуса «стволовости» необходим постоянный контакт с очень специфическим окружением, так называемой «нишей», и как только они его теряют, запускается необратимый процесс дифференцировки и специализации. Пример тому – выходящие из костного мозга лейкоциты или отрывающиеся от базального слоя клетки эпителия. И хотя стволовые клетки в первом случае располагаются вместе, а во втором – «рассеяны» по всей поверхности, концентрируясь в районе волосяных луковиц, они подчиняются одним и тем же законам.

Эта ниша хранит необходимый запас прочности, который задействуется как для регулярного обновления, так и для масштабного восстановления в критических ситуациях. Считается, что удаление «ниши» неизбежно приведет и к невозможности существования и специфических стволовых клеток.

Проверить эту гипотезу на животных пока не представляется возможным, как из-за технических трудностей, так и из-за проблем интерпретирования экспериментальных результатов. В случае с куда более покладистыми растениями несколько проще: во-первых, они гораздо лучше регенерируют, а во-вторых, их можно в течение длительного времени держать под микроскопом.

Это и проделали авторы публикации в Nature, под конфокальным микроскопом изучавшие судьбу корня арабидопсиса после «обрезания».

Корень способен к постоянному росту за счет так называемого чехлика, располагающегося на конце корня и являющегося как раз вышеописанной нишей. В данном случае ключевым фактором является небольшое молчащее ядро, состоящее из практически не делящихся стволовых клеток. По мере удаления от центра интенсивность удвоений увеличивается, клетки дифференцируются и, как считалось ранее, теряют свои стволовые качества.

Кстати, примерно так же происходит и с многослойным эпителием роговицы (прозрачной передней части глаза) у человека. На периферии, там, где она переходит в непрозрачную склеру, располагаются так называемые лимбальные стволовые клетки. Они медленно делятся и постепенно смещаются к центру, оставаясь в базальном слое. Скорость деления возрастает, и новообразованные, окончательно специализированные клетки вытесняются к поверхностным слоям, откуда смываются и стираются веками при моргании или контактными линзами. И если повреждение затрагивает центр глаза, то стволовые клетки постепенно его заполняют, а вот ожоги или механические травмы периферии, затрагивающие нишу, чреваты длительно не заживающими дефектами. Иногда даже приходится на несколько месяцев зашивать веки, чтобы дать эпителию возможность восстановиться.

Корням арабидопсиса даже с полным удалением ниши оказалось достаточно несколько дней.

Меньше чем через сутки клетки, казалось бы, вставшие на путь дифференцировки, возвращались к более раннему и как бы более «стволовому» состоянию. Они же, делясь, компенсировали дефект, но лишь после этого формировали вышеописанное ядро-нишу. Конечно, сама способность корней к регенерации не стала открытием, но

механизмы, выявленные при этом, ободрили не только ботаников, но и всех тех, кто ещё ждёт успехов от регенеративной медицины.

Как выяснилось, одним из ключевых факторов в этом процессе является гормон роста растений ауксин – корни арабидопсиса, генетически лишенного возможности синтезировать этот гормон или реагировать на него, «восстановлению не подлежали». В отличие от большинства наших факторов роста, ауксин стимулирует деление клеток, которое при этом не сопровождается специализацией.

Воодушевленный своим успехом Бирнбаум попробовал повторить эксперимент на листьях, где его ждало небольшое разочарование: листья «старше» 9 суток регенерировали гораздо медленнее, что, по всей видимости, объясняется малым содержанием в них стволовых клеток. Ботаники пришли к выводу, что в случае арабидопсиса «ниши» необходимы для постоянного роста, в то время как клетки-предшественники новых органов дополнительно «рассеяны» по всему организму. Кроме того, их эксперимент в очередной раз поднял вопрос о трансдифференцировке – способности одного типа «взрослых» клеток превращаться в другой без индуцированного плюрипотентного состояния.

Для млекопитающих, лишенных способности отращивать потерянный хвост или хрусталик глаза, подобная схема тоже вполне применима. Например, клетки, выловленные из крови, способны заселять «пустой» красный костный мозг, а экзокринные клетки поджелудочной железы могут превращаться в бета-клетки, синтезирующие инсулин. И эксперименты на растениях здесь как нельзя кстати: для специалистов по регенеративной медицине это прекрасная возможность отработать методы и проверить рабочие гипотезы.